¿Es posible curar enfermedades genéticas reescribiendo el ADN?

El biólogo químico David R. Liu comparte con nosotros la historia del descubrimiento científico realizado en su laboratorio: el desarrollo de editores de bases que pueden reescribir el ADN. Este paso crucial en la edición del genoma lleva la promesa de CRISPR al siguiente nivel: si las proteínas de CRISPR pueden considerarse tijeras moleculares programadas para cortar secuencias de ADN, los editores de bases pueden considerarse lápices capaces de reescribir las letras del ADN. En esta charla, David. R. Liu explica cómo estas máquinas moleculares funcionan y cuál es su potencial para tratar e incluso curar enfermedades genéticas.

El legado más importante
que nuestros padres nos dejan

consiste en dos grupos de
tres mil millones de letras de ADN

que conforman el genoma.

Pero como todo aquello que tenga tres
mil millones de componentes, es frágil.

La luz solar, el cigarrillo,
la alimentación poco saludable,

incluso los errores
espontáneos de las células,

todo esto provoca cambios en el genoma.

La alteración más común
que se da en el ADN

es el sencillo cambio de una letra
o base, por ejemplo una C,

por una letra diferente,
como una T, una G o una A.

A diario, las células del cuerpo
acumulan de forma colectiva

miles de millones de
estos cambios de una única letra,

también denominados
"mutaciones puntuales".

La mayoría de estas mutaciones
puntuales son inofensivas.

Pero en ocasiones una mutación puntual

puede desestabilizar una función
importante de las células

o hacer que una célula
actúe de manera perjudicial.

Si esta mutación se hereda de los padres

u ocurre tempranamente en el desarrollo,

esto tendría como resultado
que muchas o todas las células

tengan esta mutación perjudicial.

Serían entonces uno
de los cientos de millones de personas

que padecen una enfermedad genética,
como la anemia falciforme, la progeria,

la distrofia muscular
o la enfermedad de Tay-Sachs.

Las enfermedades genéticas
producidas por mutaciones puntuales

son especialmente frustrantes,

ya que a menudo
conocemos el cambio de letra

que causa la enfermedad
y, en teoría, podría curar la enfermedad.

Millones de personas
padecen anemia falciforme

porque presentan
una mutación puntual de A por T

en ambas copias
del gen de la hemoglobina.

Y los niños con progeria nacen con una T

en una posición única en su genoma
donde deberían tener una C,

y esto tiene consecuencias
devastadoras para estos maravillosos niños

que envejecen de forma acelerada
y fallecen aproximadamente a los 14 años.

A pesar del desarrollo de la medicina,
no hemos encontrado

una manera eficiente de corregir estas
mutaciones puntuales en los seres vivos,

es decir, cómo cambiar esa T
que causa la enfermedad por una C.

Quizá hasta ahora.

Porque en mi laboratorio recientemente
se consiguió desarrollar esa habilidad,

que llamamos "edición de bases".

La historia de cómo
desarrollamos la edición de bases

se remonta a unos tres mil millones
de años atrás.

Consideramos que las bacterias
son focos de infección,

pero las bacterias mismas
son propensas a infecciones,

en especial virales.

Así hace unos tres mil millones de años,

las bacterias desarrollaron un mecanismo
para combatir las infecciones virales.

Ese mecanismo de defensa
es hoy mejor conocido como CRISPR.

Y lo esencial de CRISPR
es esta proteína púrpura

que actúa como unas tijeras
moleculares que cortan el ADN

y rompen la doble hélice en dos.

Si CRISPR no pudiera distinguir
entre ADN bacteriano y viral,

no sería un sistema de defensa muy útil.

Pero la característica
más asombrosa de CRISPR

es que las tijeras pueden programarse

para buscar, unirse y cortar

únicamente una secuencia
específica del ADN.

Así cuando una bacteria encuentra
un virus por primera vez,

puede almacenar un pequeño
fragmento del ADN de ese virus,

que usará luego como programa
para dirigir las tijeras CRISPR

y cortar la secuencia del ADN viral
durante una infección futura.

Cortar el ADN del virus estropea
la función del gen viral cortado,

y afecta consecuentemente
el ciclo de vida del virus.

Investigadores destacados
como Emmanuelle Charpentier,

George Church, Jennifer Doudna

y Feng Zhang mostraron hace seis años

cómo las tijeras genéticas
CRISPR podían programarse

para cortar secuencias de ADN
seleccionadas por nosotros,

incluso secuencias del genoma,

en lugar de las secuencias de
ADN viral escogidas por las bacterias.

Pero los resultados son,
en efecto, similares.

Cortar las secuencias de ADN del genoma

también afecta la función del gen cortado,

al causar la inserción y eliminación

de mezclas aleatorias de letras de ADN
en el lugar donde se hace el corte.

Desestabilizar los genes puede ser
muy útil para algunas aplicaciones.

Pero para la mayor parte
de las mutaciones puntuales

que causan enfermedades genéticas,

simplemente cortar el gen ya mutado
no beneficia al paciente,

porque se necesita restaurar
la función del gen mutado,

no desestabilizarla aún más.

Así que cortar el gen ya mutado
de la hemoglobina

que causa la anemia falciforme

no restaura la habilidad del paciente
de generar glóbulos rojos sanos.

Y si bien en ocasiones podemos introducir
a las células nuevas secuencias de ADN

que reemplacen las secuencias
de ADN circundantes al sitio del corte,

ese proceso, desafortunadamente,

no funciona con la mayoría
de los tipos de células,

y continúan predominando
los genes modificados.

Al igual que muchos científicos,

sueño con un futuro en el que seamos
capaces de tratar y quizá hasta curar

las enfermedades genéticas humanas.

Pero identifiqué la falta de un método
para arreglar las mutaciones puntuales

causantes de la mayor parte
de enfermedades genéticas

como un problema importante a superar.

Como soy químico, comencé
a trabajar con mis alumnos

para idear formas de aplicar la química
directamente a una base individual del ADN

y arreglar las mutaciones
que causan la enfermedad genética,

en lugar de desestabilizarlas.

El resultado de nuestro trabajo
es una máquina molecular

llamada "editor de bases".

Los editores de bases usan
los mecanismos programables de búsqueda

de las tijeras CRISPR,

pero en lugar de cortar el ADN,

directamente convierten una base en otra
sin desestabilizar el resto del gen.

Si consideramos a las proteínas naturales
de CRISPR como tijeras moleculares,

podemos considerar
a los editores de bases como lápices

capaces de reemplazar
una letra de ADN por otra

al reacomodar los átomos
de una base de ADN

y volverla así una base diferente.

Los editores de bases
no existen en la naturaleza.

De hecho, creamos el primer editor
de bases, que ven aquí,

a partir de tres proteínas separadas que
ni siquiera provienen del mismo organismo.

Comenzamos por suprimir la habilidad
de las tijeras CRISPR de cortar ADN

pero mantuvimos la habilidad de buscar
y unirse a secuencias específicas de ADN

de forma programada.

A las tijeras CRISPR deshabilitadas,
que se ven en azul,

les adjuntamos una segunda
proteína, que se ve en rojo

y que produce una reacción química
en la base C del ADN

y la convierte en una base
que se comporta como T.

Tercero, debimos adjuntar
a las primeras dos proteínas

la proteína púrpura, que evita que la base
editada sea eliminada por la célula.

El resultado es una proteína
artificial de tres partes

que por primera vez
nos permite convertir las C en T

en lugares específicos del genoma.

Pero incluso en esta etapa,
esto es sólo la mitad del trabajo.

Ya que para poder permanecer
estable en las células,

las dos cadenas de la hélice doble
del ADN deben formar pares de bases.

Y como la C solamente se une a la G

y la T solo a la A,

el sólo cambiar una C por una T

en una cadena de ADN
crea una incompatibilidad,

una incongruencia
entre las dos cadenas de ADN

que la célula debe resolver
decidiendo qué cadena reemplazar.

Descubrimos que podíamos modificar
más aún la proteína de tres partes

para que ésta señalase la cadena
no editada como la que debe reemplazarse

haciéndole una incisión.

Esto engaña a la célula

para que reemplace
la G no editada por una A

a la vez que rehace la cadena marcada,

completando así la conversión
de lo que solía ser un par C-G

por un par estable T-A.

Luego de varios años de arduo trabajo

a cargo del posdoctor
del laboratorio, Alexis Komor,

conseguimos desarrollar
el primer editor de bases

capaz de convertir la C en T y la G en A

en posiciones específicas que escogemos.

Entre las más de 35 000
mutaciones puntuales conocidas,

las primeras dos mutaciones que
este editor de bases puede revertir

corresponden aproximadamente al 14 %
o 5000 mutaciones puntuales patógenas.

Pero para corregir la mayor parte
de las mutaciones puntuales

que causan enfermedades

necesitaríamos desarrollar
una segunda clase de editor de bases

capaz de convertir
las A en G y las T en C.

Con Nicole Gaudelli a la cabeza,
otra posdoctora del laboratorio,

nos dispusimos a desarrollar
este segundo editor de bases

que, en teoría, podría
corregir casi la mitad

de las mutaciones puntuales patógenas,

incluso la mutación que causa

la enfermedad del envejecimiento
acelerado, la progeria.

Descubrimos que podíamos
emplear, una vez más,

los mecanismos de búsqueda
de las tijeras CRISPR

para conducir al nuevo editor de bases
hacia el lugar indicado en el genoma.

Pero rápidamente nos topamos
con un gran problema:

no se conoce ninguna proteína

que convierta las A en G ni las T en C

en el ADN.

Al enfrentarse a semejante obstáculo,

la mayoría de los posdoctorandos
buscaría otro proyecto,

y quizá hasta otro asesor.

(Risas)

Pero Nicole decidió continuar con el plan
que parecía muy ambicioso en ese momento.

Dada la inexistencia
de una proteína natural

que lleve a cabo los procesos
químicos necesarios,

decidimos que crearíamos
nuestra propia proteína en el laboratorio

que fuera capaz de convertir la A
en una base que se comporte como la G,

y que comenzaríamos con una proteína
que tiene una química similar en el ARN.

Montamos un sistema de selección
darwiniano de supervivencia del más apto

para explorar decenas de millones
de variantes proteicas,

sistema que sólo permite
la supervivencia de las variantes raras

capaces de llevar a cabo
los procesos químicos necesarios.

El resultado fue esta proteína,

la primera capaz de convertir la A del ADN

en una base que se asemeja a la G.

Y al anexar esta proteína

a las tijeras CRISPR deshabilitadas,
que se ven en azul,

produjimos el segundo editor de bases
capaz de convertir las A en G

y que usa la misma estrategia
de efectuar una incisión en la cadena

que usamos con el primer editor de bases

para engañar a la célula
y hacer que reemplace la T no editada

por una C a la vez que rehace
esa cadena cortada,

completando así la conversión
de un par A-T en un par G-C.

(Aplausos)

Gracias.

(Aplausos)

Como científico y académico
estadounidense,

no estoy acostumbrado
a ser interrumpido por aplausos.

(Risas)

Desarrollamos estas primeras
dos clases de editores de bases

hace tan sólo tres años y un año y medio.

Pero incluso en ese breve periodo,

la edición de bases
se ha vuelto muy popular

en la comunidad de
investigación biomédica.

Se han enviado editores
de bases más de 6000 veces

a distintos lugares del mundo
por pedido de más de 1000 investigadores.

Ya se han publicado cientos
de artículos de investigación científica

en los que se usan editores de bases
en organismos como bacterias,

plantas, ratones y primates.

Si bien los editores de bases
son muy novedosos

y no se han empleado
en ensayos clínicos humanos,

los científicos han realizado
avances fundamentales en esa dirección

al usar editores de bases en animales

para corregir mutaciones puntuales
que causan enfermedades genéticas humanas.

Por ejemplo,

un equipo de científicos a cargo
de Luke Koblan y Jon Levy,

otros dos estudiantes en mi laboratorio,

emplearon recientemente un virus
para insertar ese segundo editor de bases

a un ratón con progeria.

Así cambiaron la T causante
de la enfermedad por una C

y revirtieron las consecuencias
a nivel del ADN, ARN y proteico.

También se han usado
los editores de bases en animales

para revertir las consecuencias
de la tirosinemia,

la beta talasemia, la distrofia muscular,

la fenilcetonuria,
un tipo de sordera congénita

y un tipo de enfermedad cardiovascular,

en cada caso, al corregir
directamente una mutación puntual

que causa la enfermedad
o contribuye a ella.

Los editores de bases
se han usado en plantas

para introducir cambios
en una letra individual del ADN

y así conseguir mejores cultivos.

Y los biólogos han usado
los editores de bases

para indagar en la función
de las letras individuales

en genes asociados
a enfermedades como el cáncer.

Dos empresas que cofundé,
"Beam Therapeutics" y "Pairwise Plants",

usan actualmente la edición de bases
para tratar enfermedades genéticas humanas

y para mejorar la agricultura.

Todas estas aplicaciones
de la edición de bases

se han desarrollado en menos de tres años.

En la línea histórica de la ciencia,
eso es un abrir y cerrar de ojos.

Aún queda trabajo por realizar

antes de que la edición de bases
alcance su máximo potencial

y consiga mejorar la vida de
los pacientes con enfermedades genéticas.

Si bien se estima que muchas
de estas enfermedades pueden tratarse

al corregir la mutación subyacente

en al menos una pequeña fracción
de las células de un órgano,

introducir máquinas moleculares
como los editores de bases

a las células humanas
puede ser un gran desafío.

Usar los virus naturales
para insertar los editores de bases

en lugar de las moléculas
que provocan un resfrío

es una de las varias
estrategias prometedoras

que se han empleado exitosamente.

Continuar con el desarrollo
de nuevas máquinas moleculares

capaces de realizar todas
las conversiones de bases restantes,

de un par a otro,

y de minimizar las ediciones no deseadas
en otros lugares de las células

es muy importante.

Y colaborar con otros científicos,
doctores, eticistas y gobiernos

para garantizar que la edición de bases
se aplique de forma concienzuda,

segura y ética

sigue siendo una obligación vital.

A pesar de todo esto,

si hace tan sólo cinco años
me hubiesen dicho

que investigadores de todo el mundo

emplearían máquinas moleculares
desarrolladas en laboratorios

para convertir de forma directa
un par de bases en un par diferente

en lugares específicos del genoma humano

de forma eficiente
y con efectos secundarios mínimos,

les hubiera preguntado:

"¿Qué novela de ciencia
ficción están leyendo?".

Gracias a un dedicado e incansable
grupo de estudiantes

que fueron tan creativos que pudieron
construir lo que nosotros diseñamos

y tan valientes que pudieron
desarrollar lo que nosotros no,

la edición de bases
ha comenzado a transformar

esa aspiración de ciencia ficción
en una emocionante realidad

en la que el legado más importante
que pasamos a nuestros hijos

puede no ser sólo tres mil
millones de letras de ADN,

sino también los medios
para protegerlas y repararlas.

Gracias.

(Aplausos)

Gracias.